Особенности биогеохимического цикла углерода в таёжно-лесных экосистемах

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Цель работы: мы должны рассмотреть таёжно-лесные экосистемы и выявить почему они активно участвуют в круговороте углерода.

Задачи:

1. Необходимо найти материал по нашей  теме
2. Отобрать материал и тщательно его изучить
3. Определить порядок написания работы
4. Написать список используемой литературы

Согласно имеющимся  прогнозам, к середине 21 в. ожидается повышение средней глобальной температуры на 1С, что может привести к изменению климата и перестройке биоты. Такой прогноз связан прежде всего с усилением парникового эффекта, вызванного хозяйственной деятельностью человека и обусловленного в первую очередь нарушением баланса углекислоты. Сегодня доля антропогенной углекислоты в парниковом эффекте оценивается в 61%. К 2050-2070 гг. ожидается, что концентрация СО₂ в атмосфере увеличится вдвое. Поскольку основная доля в парниковом эффекте приходится на СО₂, то оценка естественных потоков этого компонента составляет первоочередную задачу.

В данной работе приведены  результаты изучения роли таёжно-лесных экосистем в круговороте углерода. Формируемые лесами запасы и потоки углерода составляют весомую долю от её глобальных запасов и потоков.

Углеродный цикл занимает особое место в проводимых в настоящее  время исследованиях, поскольку  существование растений, этих временных  хранилищ углерода, невозможно без поглощения его из атмосферы и последующего возвращения; с другой стороны, именно соединение углерода, являясь основными химическими компонентами естественных и антропогенных выбросов, определяют парниковый эффект.

 

Глава 1. Понятие о таёжно-лесных экосистемах и их участие в круговороте углерода

  1.1. Что такое таёжно-лесные экосистемы?

Таёжно-лесные экосистемы северного умеренного пояса, составленные бореальными видами ели, пихты, лиственницы, сосны (в том числе кедровой) с  небольшой примесью лиственных пород. Также таёжно лесные экосистемы – это одна из географических подзон северного умеренного пояса. Они занимает огромные пространства С. Евразии, Северной Америки, покрывает большие территории в горах (горные районы Северной Европы, Японских островов, Тихоокеанского побережья Северной Америки и т. п.). В условиях континентального климата заходит далеко на Север (на Таймыре севернее 72° северной широты), в условиях океанического — встречается у 42° северной широты (остров Хонсю, Япония).

  По зональному принципу тайга делится на северную, среднюю и южную. На территории СССР эти части наиболее полно выражены на Восточно-европейской и Западно-Сибирской равнинах. По составу растительности различают темнохвойную (ель, пихта, сосна сибирская и кедровая) и светлохвойную (лесная сосна, лиственница, некоторые американские виды сосны). Древесные породы образуют чистые (еловые леса, лиственничные леса и т. п.) и смешанные древостои (елово-пихтовые леса). Темнохвойный лес — наиболее распространённый и характерный вид тайги; под его пологом формируются особые таёжные почвы, покрытые мхом, лишайниками или подстилкой из перегнивающей опавшей хвои. Породы, образующие древостой темнохвойной тайги, теневыносливы, так как их хвоя способна осуществлять фотосинтез при слабом освещении. В лесу мало света, поэтому иногда совсем нет подлеска. Виды кустарников (можжевельник, жимолость, смородина, ива и др.), кустарничков (черника, брусника и др.), трав (преобладают кислица, грушанка, папоротники и т. п.) немногочисленны, но многие из них сопутствуют темнохвойной тайги на обоих континентах.

В Восточной Сибири господствует светло-хвойная, или лиственничная  тайга, которая также представлена различными классами ассоциаций.

В СССР почти вся территории относится к таёжной подзоне  и высотным поясам; в горах крупные массивы тайги сосредоточены в Сибири и на Дальнем Востоке в условиях наиболее континентального климата.

Таежно-лесные области  не являются таксономической единицей

почвенно-географического  районирования СССР. Этим названием объединены обширные территории, на которых распространены подзолистые, серые лесные и сопутствующие им типы почв.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2. Почему они активно участвуют в круговороте углерода?

 Лесной покров – это своеобразный экологический каркас территории, во многом определяющий стабильность биосферы. Леса не только активные продуценты биомассы и кислорода, но и огромное хранилище углерода, аккумулированного в живых растениях, их остатки различной степени деструкции, в гумусе и торфах. В зависимости от природно-экономической ситуации леса могут быть либо хранителем (стоком, резервуаром) углерода, либо – при неразумных формах хозяйствования – его источником.

Полагают, что прогнозируемое глобальное потепление в первую очередь скажется на природной ситуации в высоких широтах, а значит, и на лесной растительности. Леса России, занимающие значительную часть Евразии, объединяют около 22% мирового запаса лесных ресурсов. Естественно, что исследования, касающиеся поглощения растениями атмосферного СО₂ , продолжительности удержания углерода в экосистемах, математического моделирования его основных потоков в макросистеме «атмосфера – лесная растительность – почва», весьма существенны для установления роли суши и океана в стабилизации биосферных процессах.

Решение этих задач позволит определить место лесов России в глобальном углеродном цикле и наметить пути воздействия на лесные экосистемы, позволяющие повысить их роль как регуляторов газового состава атмосферы.

Сотрудники Центра по проблемам  экологии и продуктивности лесов РАН (Российская Академия Наук) и Института лесоведения РАН, используя эмпирические (теоретические) данные по фитомассе и продуктивности лесных экосистем, провели корректные расчёты запасов углерода в лесах различных регионах России.

По площади и запасам стволовой древесины основных лесообразующих пород России, а также фитомассе разных фракций древостоев и запасы древесины, на тех же участках для каждой породы и возрастной группы, определили конверсионные коэффициенты: 1 кг сухой массы стволов, ветвей и корней – 0.5 кг углерода, для 1 кг сухой массы хвои и листьев – 0.45 кг.

Полученные среднестатистические значения использовались при вычислениях  суммарных запасов фитомассы  лесов России. На основании эмпирических данных по фитомасссе и продуктивности лесных экосистем рассчитали массу нижних ярусов лесных сообществ. Затем оценки запасов фитомассы лесных экосистем трансформировали в запасы углерода (табл.1). Однако в этих расчётах не учитывались площади безлесных болот на территории лесного фонда, которые пока не исследованы.

Для определения роли лесов в глобальном углеродном цикле  цикле важно знать годичное депонирование  углерода, расходуемого на годичное увеличение фитомассы. Этот показатель по своему содержанию означает разность между количеством углерода, запасаемым в первичной нетто-продукции, и уходящим с отмирающей листвой и древесиной (с ежегодным опадом и отпадом).

Среднегодичный прирост запаса стволовой древесины определяется как отношение разности удельных запасов между соседними возрастными  группами к возрастному интервалу, соответствующему более молодой группе, с последующим пересчётом на всю площадь для каждой породы и возрастной группы. На основе полученных данных с помощью конверсионных коэффициентов оценивалось годичное депонирование углерода.

В результате подсчитано, что запасы углерода в живых частях растений на всей территории лесного фонда  России (1183 млн. га, из  которых 771.1 млн. га – площадь, покрытая лесом) составляют 41,2 Гт, из них 39,8 Гт – для покрытой лесом площади. За год на тех же площадях депонируется соответственно 212 и 184 Мт. (таблица 2)

Оценки запасов и  депонирования углерода лесной растительностью  чрезвычайно важны для определения  норм выбросов углекислого газа в  целях ограничения парникового  эффекта.

1.3. Усиление парникового эффекта

Наша история складывается в тех или иных природных условиях и под влиянием инициированных человеком  событий разного масштаба. К числу  самых мощных факторов влияния не только на людей, но и на всю биоту  Земли нельзя не отнести изменения характеристик её биосферы, а именно того тонкого слоя поверхности планеты, в котором обитают все живые существа. Биосфера не может не изменяться. При постепенном развитии процессов живые организмы в течение определённого времени так или иначе приспосабливаются к новым условиям. Однако, времени на это может и не хватить, например, при быстром изменении (потеплении) климата.

Ко второй половине прошлого столетия стали появляться сообщения  о потеплении климата, не только в  России и соседних с ней странах, но и на всей планете.

Данную проблему широко обсуждают на уровне правительств, в научных кругах и международных  организациях. Это свидетельствует  о том, что в атмосфере и  в условиях жизни людей на планете  происходит нечто очень серьёзное, ранее не случавшееся.

За последнее столетие  (особенно резко – за последние несколько  десятилетий) в атмосфере произошло  усиленное развитие парникового  эффекта (ПЭ). Величина ПЭ определяется наличием и концентрацией в воздухе  так называемых парниковых газов (СО₂, СН₄. Н₂О и др.), вызывающих задержку в атмосфере части энергии Солнца, отражаемой от поверхности Земли. Они значительно отличаются друг от друга по отражательной способности и концентрации в воздухе. По общему мнению учёных, доминирующую роль в формировании ПЭ играет СО₂.

По данным С.К. Гулёва и его соавторов, а также академика А.Т. Мокроносова (1999) и других исследователей, в течение многих тысяч лет содержание СО₂ в атмосфере имело длительно-стабильный характер. Однако с 1860 по 1985 г. При исходной концентрации СО₂ на уровне около 280 мг/ л содержание этого газа в воздухе возросло в 1.2, а к 2000 г. – в 1.3 раза.  Из авторитетных источников известно, что концентрация СО₂ в воздухе ежегодно увеличивается на 1.5 – 2 мг/л, вследствие чего во второй половине текущего столетия её изначальная величина может удвоиться. В результате средняя температура воздуха повысится на 3С. Но с учётом различий по широте повышение в средних и высоких широтах может составить 7-8, а на полюсах – даже 12С. Параллельно произойдут повышение уровня мирового океана, аридизация климата на обширных территориях, сокращение запасов пресной воды, изменение границ почвенно-растительных зон. По мнению  А. Т. Мокроносова, масштабы и следствия названных изменений будут настолько велики, что их можно сравнивать с крупными геологическими и климатическими событиями в истории Земли. Всё это не может не сопровождаться усилением конфликтов в экономической, социальной и политической сферах.

Отмечая негативные последствия увеличения в атмосфере концентрации СО₂, следует вспомнить и о жизненно важном значении присутствия в ней определённого количества такого газа. Именно этот факт лежит в основе созданного и задействованного на Земле уникального биогенного механизма, позволяющего всем зелёным растениям усваивать и консервировать лучистую энергию Солнца в виде первичных продуктов фотосинтеза и их производных, производить и поставлять в атмосферу молекулярный кислород, необходимый для дыхания почти всех живых существ Земли, а также иметь в телах растений и других живых существ сложнейшие углеродсодержащие структуры, благодаря которым возможно биологическое разнообразие планеты.

Более того, упомянутый выше ПЭ, вызываемый присутствием в атмосфере определённых количеств СО₂ и некоторых других газов, крайне необходим. По существу все (или почти все) живые существа планеты зависят от ПЭ. Чтобы жизнь на Земле не угасла, ПЭ должен оставаться в определённых границах. При его уменьшении можно замёрзнуть, при увеличении – оказаться в условиях перегретой атмосферы, поэтому концентрация СО₂ в атмосфере должна оставаться в узком диапазоне, величины которого являются интегральным результатом ряда сложнейших разнонаправленных процессов. В их числе:

увеличивающие содержание СО₂ в атмосфере – окисление углерода в процессе дыхания, сжигание всех видов углеродсодержащего топлива в качестве источника энергии, сгорание углеродсодержащих веществ в природных условиях при лесных и иных пожарах, выбросы СО2 из недр Земли;

уменьшающие содержание СО₂ в атмосфере – фотосинтез органических веществ, происходящий везде, где могут жить зелёные растения, а также растворение СО₂ атмосферы в воде выпадающих осадков.

Кроме перечисленных разнонаправленных процессов на содержание СО₂ в атмосфере сильно влияет время, в течение которого то или иное изъятое из атмосферы количество углерода сохраняется в зафиксированном виде в телах живых существ, в их опаде, в органогенных горизонтах почвы, торфяных залежах, в разных видах ископаемого топлива, водах мирового океана и осадочных горных породах. При разных вариантах его нахождения вне атмосферы изменяется почти в бесконечное число раз. Данное обстоятельство усугубляется широким варьированием (по объектам и условиям) пропускной способности каналов перемещения СО₂ в атмосферу и из неё. Всё это чрезвычайно затрудняет получение и сопоставление результатов исследуемых процессов. Тем не менее можно уверенно говорить об их итоге, а именно о том, что в течение многих тысяч лет указанные процессы находились в сбалансированном виде, обеспечивая комфортную для биоты Земли концентрацию СО₂ в её атмосфере, и о том в последние годы произошла разбалансировка этих процессов результатом которой стало увеличение концентрации СО₂ и вызываемые этим изменения климата Земли.

В складывающейся ситуации остаётся надеяться на то, что Природа  найдёт в своём арсенале и задействует дополнительный механизм, позволяющий сохранять нужную биоте Земли концентрацию СО₂ в атмосфере. Реальные же результаты могут принести нелёгкие для принятия меры по такой трансформации жизни на Земле, когда можно будет удержать содержание СО₂ и других парниковых газов на приемлемом уровне.

Чтобы приблизиться к  названной цели, необходимо решить три взаимосвязанные задачи: уменьшить выбросы СО₂ в атмосферу; увеличить сток СО₂ из атмосферы; увеличить продолжительность времени, в течение которого извлечённый из атмосферы СО₂ будет храниться в разных слоях Земли в виде тех или иных углеродсодержащих веществ.

То, о чём сказано  выше, затронет практически все сферы  жизнедеятельности и, конечно, лесное хозяйство разных стран.

О важном значении лесов в круговороте углерода можно судить по тому, что масса углерода, находящегося в составе различных углеродсодержащих веществ в глобальных запасах древесины, и масса углерода в составе СО₂ атмосферы Земли соотносятся примерно как 1:10. Если взять в расчёт не только древесину, но и другие элементы лесных экосистем, соотношение, вероятно, примет вид 1:5. Приведённые цифры и происходящие в атмосфере изменения свидетельствуют о необходимости серьёзного изучения и регулирования биологического механизма влияния лесов на содержание СО₂  в атмосфере, а также на массу углерода, извлекаемого из атмосферы и сохраняемого в течение определённого времени в виде различных веществ в лесных экосистемах.